一維大長(zhǎng)度計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)研究

楊 斌 石作德 姚興宇 劉 娜 張 瑜 于佃清 丁 文 陳姍姍

（遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110004）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，各類大長(zhǎng)度、高精度的儀器，例如激光干涉儀、激光跟蹤儀、全站儀[1]等的應(yīng)用范圍均已達(dá)到幾十米甚至更長(zhǎng)的距離，它們被地廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、汽車制造等行業(yè)。早期，對(duì)于此類儀器的校準(zhǔn)通常是在24 米精密圓導(dǎo)軌上進(jìn)行，但由于年代久遠(yuǎn)，導(dǎo)軌發(fā)生變形導(dǎo)致其直線度較差；安裝于導(dǎo)軌上的移動(dòng)平臺(tái)電氣部分老化，只能靠人工進(jìn)行，工作效率很低；環(huán)境參數(shù)不能實(shí)時(shí)地采集到測(cè)量程序中，增大了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)原有舊導(dǎo)軌進(jìn)行改造，研發(fā)了一套可自動(dòng)運(yùn)行和采集數(shù)據(jù)的高精度大長(zhǎng)度計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)。本文對(duì)其原理、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵技術(shù)以及精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 原理

計(jì)算機(jī)發(fā)出待檢指令并讀取激光干涉儀的數(shù)據(jù)計(jì)算出移動(dòng)步數(shù)，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)的單片機(jī)收到指令，將移動(dòng)完成的代碼返回計(jì)算機(jī)。位于移動(dòng)平臺(tái)上的CCD攝像頭采集圖像，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸圖像到圖像處理軟件計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。見(jiàn)圖1 所示。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

一維大長(zhǎng)度（24m）計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)、無(wú)線圖像采集處理系統(tǒng)、測(cè)量軟件、環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集4 部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理

1.2.1 移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)

將主控計(jì)算機(jī)所發(fā)出的指令通過(guò)無(wú)線傳輸通訊模塊發(fā)送給移動(dòng)平臺(tái)上的單片機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行平臺(tái)快速移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由單片機(jī)控制循環(huán)調(diào)用激光干涉儀的移動(dòng)距離值，形成閉環(huán)，判斷運(yùn)行平臺(tái)所移動(dòng)的距離是否達(dá)到要求，由此來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離的誤差。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到要求位置后，將返回的代碼通過(guò)無(wú)線傳輸通訊模塊傳輸回主控計(jì)算機(jī)。

1.2.2 無(wú)線圖像采集處理系統(tǒng)

通過(guò)高清晰CCD攝像頭和測(cè)量顯微鏡配合，將高清晰CCD攝像頭采集來(lái)的測(cè)量圖像信號(hào)無(wú)線傳輸回主控計(jì)算機(jī)。在此過(guò)程中，去除掉干擾信號(hào)，使無(wú)線圖像數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠。

1.2.3 測(cè)量軟件

測(cè)量軟件對(duì)傳輸回來(lái)的測(cè)量圖像信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)圖像處理，包括CCD像素標(biāo)定、模板編輯、顯示數(shù)據(jù)曲線、存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)線紋類和儀器類計(jì)量器具的全自動(dòng)測(cè)量、半自動(dòng)測(cè)量以及人工測(cè)量的三種測(cè)量方式。

1.2.4 環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集

沿導(dǎo)軌方向均勻布設(shè)高精度傳感器并與計(jì)算機(jī)建立通訊[3]，將溫度、氣壓、濕度和被測(cè)物的材料溫度實(shí)時(shí)采集到主控計(jì)算機(jī)，可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而減小了測(cè)量的不確定度。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RS232 長(zhǎng)距離抗干擾傳輸

通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊控制移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使無(wú)線數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠。調(diào)整無(wú)線模塊的頻點(diǎn)、發(fā)射功率，無(wú)線模塊的全屏蔽來(lái)消除信號(hào)的干擾，通過(guò)RS232 通訊的冗余校驗(yàn)和多次握手應(yīng)答協(xié)議，有效地降低了無(wú)線通訊的出錯(cuò)率，保證了無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

2.2 激光干涉儀數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取

激光干涉儀在測(cè)量時(shí)讀數(shù)只能從生產(chǎn)廠家提供的測(cè)量軟件讀取并人工記錄。本項(xiàng)目通過(guò)激光干涉儀輸出信號(hào)的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了距離數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕獲功能，從而為系統(tǒng)整體運(yùn)行提供了必要的距離數(shù)值信息。

2.3 無(wú)線圖像采集傳輸

視頻圖像由于圖像數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)更新快，且在測(cè)量過(guò)程中，圖像需要進(jìn)行識(shí)別和計(jì)算，圖像的誤碼率要求極高。在本套系統(tǒng)中，通過(guò)2.4G的無(wú)線傳送速率來(lái)解決數(shù)據(jù)量大和傳輸快的要求。通過(guò)合理設(shè)置圖像參數(shù)來(lái)增加圖像清晰度；通過(guò)調(diào)整圖像傳輸碼流，量化系數(shù)等來(lái)提高圖像傳輸速度，使無(wú)線傳輸回來(lái)的圖像誤碼率低，且無(wú)明顯滯后。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 瞄準(zhǔn)精度實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺[4]的500mm刻線處進(jìn)行瞄準(zhǔn)，共10 次測(cè)量，用顯微鏡單次對(duì)線的重復(fù)性來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 顯微鏡瞄準(zhǔn)精度測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：mm

從表1 中可以看出，顯微鏡瞄準(zhǔn)測(cè)量的重復(fù)性達(dá)到0.197μm。

3.2 測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

由于系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)24m，沒(méi)有合適的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行測(cè)試，因此選用三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在24m范圍內(nèi)的兩個(gè)位置進(jìn)行分段測(cè)試，測(cè)量?jī)啥斯? 個(gè)往返。見(jiàn)表2 和表3。

從表2 和表3 中可以看出，系統(tǒng)測(cè)量的重復(fù)性取最大值為0.153μm。

4 不確定度分析

不確定度各分量見(jiàn)表4 所示。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[5]：

擴(kuò)展不確定度：

因無(wú)法判斷被測(cè)量的分布情況，取k＝2

對(duì)任思長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，上式可歸納為：

表2 三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在10m處 單位：mm

表3 三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在20m處 單位：mm

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

5 結(jié)論

本項(xiàng)目的完成極大地提高了大長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器的校準(zhǔn)測(cè)量能力。與人工方式相比，不僅能夠提高檢測(cè)效率，而且系統(tǒng)全自動(dòng)化的一致性、有效性和復(fù)現(xiàn)性良好，避免了人為引人的測(cè)量誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，一維大長(zhǎng)度（24m）計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不確定度達(dá)到U＝0.5μm+3 ×10-7L（k＝2），其綜合性能處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，對(duì)未來(lái)大尺寸計(jì)量發(fā)展的影響是巨大的。